Download Robitica embebida - clase de sistemas embebidos

Robótica embebida
Sistemas embebidos
Facultad de Ingeniería
Instituto de Computación
Temas



Sistemas Embebidos
Microcontroladores
System on a Chip
●

Single Board Computers
Sistemas Operativos
Sistemas Embebidos
¿Qué es un Sistema
Embebido?


Un sistema embebido (S.E) es un
sistema computador destinado a una
aplicación en particular.
Los sistemas computadores de
propósito general tienen muchas
aplicaciones, según el software que se
instale.
Características
Es una combinación de hardware,
software y posibles elementos
mecánicos.
 Específicos para una tarea por lo
que son optimizados para la
misma.

Firmware

Rutinas de software almacenadas en
memoria no volátil (Flash, ROM, EEPROM,
etc).
●


Muchas veces específicas para ese hardware
Software que se encuentra inmerso en el
dispositivo de hardware a controlar.
Es software muy acoplado con un
hardware particular.
Características de los
sistemas embebidos



Interactúan con el entorno
 Directamente sensando y controlando
señales.
 Comunicándose con otros dispositivos.
Interacción con restricciones de tiempo
real.
Bajo consumo.
Los S.E en nuestras vidas

Electrodomésticos, periféricos para
computadora, control industrial,
teléfonos celulares, GPS, routers, mp3,
máquinas de fotos, consolas de
videojuegos, equipos para medicina,
canaleras para TV, DVD, autos, entre
otros.
Características de los
sistemas embebidos.
Mayores exigencias
Calidad
Confiabilidad
Seguridad (safety)
Disponibilidad
Mayores exigencias


Confiabilidad: C(t), probabilidad que un
sistema cumpla sus requerimientos
hasta un tiempo t cuando opera bajo
sus condiciones establecidas de
funcionamiento.
Disponibilidad: D(t), probabilidad que el
sistema esté operando correctamente
en el instante t de tiempo.
Mayores exigencias

Seguridad (safety): S(t) es la
probabilidad que condiciones que
pueden derivar en una situación
adversa, no ocurran,
independientemente de si el sistema
cumple o no con su misión.
Especialmente nos referimos a daños a
propiedad, medio ambiente e incluso,
vidas humanas.
Características Mayores exigencias
¿Qué atributo de calidad considera
más importante para un sistema
de control de presentismo?
Características Mayores exigencias
¿Qué atributo de calidad considera
más importante para un sistema
que controla el acceso a un centro
de cómputos?
Características Mayores exigencias
¿Qué atributo de calidad considera
más importante para una guillotina
de papel?
Hay que probar más



Aeroespacio: Mariners 1, 3, 8, Ariane 5
(1996).
Sobredosis radiológicas en Panamá.
Durante el 2006, el 60% de los
automóviles de una marca de lujo
alemana volvieron a taller por fallas en
el software.
El hardware también falla



Aún bajo implementaciones “perfectas” de
software/firmware los sistemas embebidos se
encuentran inmersos en un ambiente externo, el
cual puede afectar el correcto funcionamiento
Este ambiente produce defectos transitorios en
el dispositivo debido principalmente a:
●
Interferencia electromagnética (EMI)
●
Rayos cósmicos
●
Temperatura alta
Su naturaleza transitoria hacen muy difícil de
detectar/reproducir/corregir
Protección ante fallas


Watch Dog Timer
●
Es utilizado para prevenir caídas del software.
●
En entornos con ruido eléctrico, puede ocurrir
que el Program Counter del CPU se vea
afectado y éste comience a ejecutar en un
lugar indeterminado.
●
El circuito WDT se encarga de resetear el CPU
si el registro WD se desborda.
Línea de reset externa
Entrada/Salida (E/S)



Debido a su característica los sistemas
embebidos deben interactuar con el
ambiente que los rodea.
Sensando señales del ambiente o
actuando sobre el mismo.
Hay dos maneras de manejar la E/S:
●
●
Digital
Analógica
E/S Digital




Se intercambian “unos” y “ceros”.
Esos valores corresponden a voltajes de
referencia.
Utilizado para implementar protocolos
de comunicación.
Útil para controlar algunos dispositivos
electrónicos:
●
●
Prender un led.
Leer estado de un botón.
E/S Analógica




(1/2)
Los valores que se intercambian pueden
tomar varios valores.
Es necesario disponer de conversores
Digital -> Analógico (D/A) o Analógico
-> Digital (A/D).
Un conversor A/D convierte un voltaje
en un pin de entrada a un valor digital.
La resolución del conversor condiciona
la cantidad de valores a representar. Un
canal de 10 bits va a permitir
representar valores desde 0 a 1023.
E/S Analógica


Un conversor D/A convierte un valor
digital a un voltaje en un pin de salida.
Muchos sensores se manejan de esta
manera:
●

(2/2)
Temperatura, humedad, luz, micrófono
Algunos actuadores se manejan de esta
manera:
●
Parlantes, motores
Lectura/escritura de E/S

(1/2)
Paradigmas para implementar la
lectura/escritura de E/S:
●
●
Polling: Donde se utilizan ciclos de CPU para
estar constantemente consultando el valor
de alguna entrada.
Interrupciones: El CPU es notificado
externamente. A nivel de software se
ejecuta una rutina de atención a la
interrupción.
A tener en cuenta...


Latencia de interrupción: Tiempo entre
la ocurrencia de la interrupción y
ejecución de la rutina de interrupción.
En sistemas de tiempo real se trata de
acotar a valores mínimos la latencia de
interrupción.
Lectura/escritura de E/S
(2/2)
También puede existir un enfoque híbrido
donde se utilice una interrupción de timer
para consultar el estado de un periférico
que no genera interrupciones.
Comunicación

Serial
●
RS-232
●
SPI
●
I2C

Paralela

Hoy día se está comenzando a utilizar otros
mecanismos
●
USB
●
Wifi
●
Ethernet

Síncrona o asíncrona.

Redes de dispositivos.
Formas de implementar S.E.



Basados en microcontroladores
Basados en Systems on a chip (SOC)
Híbrido
Microcontroladores
Introducción a los
microcontroladores



Un microprocesador
(µP) es una CPU en
un solo circuito
integrado.
Un computador es
una CPU, más
memoria y puertos de
E/S.
Un sistema
computador es un
computador más
periféricos.
(1/3)
Introducción a los
microcontroladores
(2/3)
Un microcontrolador (µC) es un sistema
autocontenido donde el microprocesador,
soporte, memoria y entrada/salida se presentan
dentro de un mismo integrado.
Power
Reset
Reset
Control
Processor
Clocking
Clock &
Timing
RAM
I/O Ports
Control
Store
Power
Input &
Output
Pins
Introducción a los
microcontroladores
(3/3)
Características




Fáciles de utilizar.
Bajo costo.
Flexibles.
Debido a su tamaño puede incluirse dentro del
dispositivo que gobierna.
Tipos de Microcontroladores
Los microcontroladores se pueden clasificar
en:



Microcontroladores de 8 bits.
Microcontroladores de 16-32 bits
Procesadores de señales digitales (DSP)
Microcontroladores de 8 bits



Todos los recursos necesarios están
incluidos en el chip.
Solo necesitan alimentación y reloj.
Proporcionan control e interfaz con
dispositivos externos de manera
económica y programable.
(1/3)
Microcontroladores de 8 bits
Disponen de:






Reset
Reloj
Procesador
Memoria ROM para el programa e interfaz de programación
Memoria RAM para variables.
I/O Pins.
Adicionalmente pueden incluir:





Capacidad de debugging
Interrupciones
I/O analógica
Comunicación serial y/o paralela
Interfaz con memoria
(2/3)
Microcontroladores de 8 bits






Muy poca RAM (decenas de KB).
Muy poca velocidad de reloj (decenas de
MHZ).
Muy utilizados en aplicaciones de control.
Bajo costo.
Bajo consumo energético (algunos µW).
Ejemplo: Control remoto Universal
(programable)
(3/3)
Procesador de señales digital




Es una categoría relativamente nueva de
microprocesadores.
El objetivo de los DSP es tomar un señal
analógica y calcular una respuesta
apropiada.
Ejecutan a gran velocidad para permitir el
control en tiempo real.
Ejemplo: reproductor MP3
Registros de E/S



Son los componentes más utilizados de
los microcontroladores .
Los microcontroladores disponen de
registros para controlar los dispositivos de
E/S.
Espacios


E/S mapeada en memoria.
Mapa E/S y mapa de memoria.
Reloj del sistema



Los µC están diseñados para ejecutar con poco soporte
externo para el reloj del sistema.
Los µCs corren en el entorno de las decenas de MHz.
Existen diversos métodos para proporcionarle el reloj al
µC:
 Usando un cristal
 Resonador cerámico
 Oscilador RC
 Utilizando un clock interno en el µC.
Alimentación


Minimizar el consumo de corriente es un tema a
tener en cuenta.
Hay que tener en cuenta el consumo:

Del microcontrolador en modo normal.
• Depende de la frecuencia y del voltaje proporcionado.


Del microcontrolador en modo sleep.
Del los dispositivos conectados a la E/S.
• Particular de cada aplicación.
• Pueden gestionarse adecuadamente los dispositivos.
Timers



Se utiliza para trabajar con eventos de
tiempo.
Contadores: cuentan acontecimientos que
suceden en el exterior.
Temporizadores: controlan períodos de
tiempo.
Arquitectura
IO Boards
(1/2)



Existen placas orientadas a trabajar con
entrada/salida que permiten realizar
diseños embebidos en base a ellas.
Utilizadas para prototipar o diseñar
productos de pocas unidades.
Incluyen un microcontrolador, señal de
reloj, conectores de E/S, memoria flash
externa, acondicionamiento de señales.
IO Boards
(2/2)




Arduino
GogoBoard
USB4all
USB4Butiá
Desarrollo de software



Herramientas y entornos de desarrollo
Programación
Debug
Herramientas y entornos de
desarrollo
(1/4)






Editor
Compilador
Ensamblador
Simulador
Emulador
Programador
IDE
Herramientas y entornos de
desarrollo
(2/4)

Assembler



Instrucciones assembler.
Directivas
Debe estar bien comentado
Herramientas y entornos de
desarrollo
(3/4)

Lenguaje de alto nivel


C, C++, Basic, Forth, JavaMe.
Proporcionan
•
•
•
•
•
•
•

Mayor nivel de abstracción
Bibliotecas.
Tipos de datos.
Variables locales y globales.
Estructuras de datos y punteros.
Asignación de memoria para datos.
Acceso a registros.
Decrementa el tiempo de desarrollo.
Herramientas y entornos de
desarrollo
(4/4)

Real Time Operating System (RTOS)






●
Multitasking
Scheduling
Context Switching
Respuestas en tiempo a eventos del mundo.
Comunicación entre procesos.
Stack TCP/IP
Ejemplos: Salvo, FreeRTOS, µC/OS, ...
Fabricantes

Intel




Microchip


PIC
Motorola



8048
8051 (Intel y Otros)
80186, 80186 y 80386 EX.
68HC11 (Motorola y Toshiba)
683xx
Atmel

AVR
Evolución del hardware
embebido:

Cada vez hay más aplicaciones ya
que pueden hacerse dispositivos
que:




Consuman menos por transistor
Cuesten menos por transistor
Sean más rápidos
Ley de Moore: Cada
2 años, el doble de
transistores en la
misma superficie
Systems on a chip (SOC)




Se refiere a integrar todos los
componentes de un computador u otro
dispositivo electrónico en un chip.
La principal diferencia con un µC es la
memoria disponible y el soporte para
MMU.
En general, los SOC permiten ejecutar
sistemas operativos (S.O) tradicionales.
Cada SOC esta orientado a determinado
tipo de aplicaciones.
Systems on a chip (SOC)


Al incrementar el
nivel de
integración se
disminuye el
costo de
fabricación.
Permite
implementar
sistemas más
pequeños de altas
prestaciones.
Hardware Embebido basado
en SOC
(1/3)

La arquitectura de hardware para los
sistemas embebidos por lo general
difiere a la de los sistemas de escritorio.


ARM, MIPS o PowerPC son muy utilizados
por su bajo consumo y buena performance.
x86 actualmente no es tan frecuente, pero
también es utilizado.
Hardware Embebido basado
en SOC
(2/3)

Almacenamiento en flash
 Hay que tener en cuenta que los ciclos de
borrado son limitados, para alargar la vida
útil de la memoria.
• Existen técnicas para “gastar” de forma
uniforme la memoria (wear leveling).
• No es recomendable utilizarlas para
implementar espacio de swap.
Hardware Embebido basado
en SOC
(2/2)



Cantidad de RAM limitada (desde unos
pocos MB a varias decenas de MB)
Velocidad de CPU inferior a sistemas de
escritorio.
Varios buses de interconexión (I2C, SPI,
USB, serial) y puertos de E/S.
Arquitecturas utilizadas en
S.E.
Extraído de:
http://www.linuxfordevices.com/c/a/Linux-For-Devices-Articles/Snapshot-of-the-embedded-Linux-market-April-2007/
Arquitecturas utilizadas en
S.E.
(Semicast Research)
Ventajas de utilizar SOC



Dispositivos diseñados con SOC se
adaptan mejor a nuevos requerimientos
que los diseñados con
microcontroladores
Permiten utilizar Sistemas Operativos
de propósito general, software, device
drivers y periféricos utilizados en Pcs
Acortan la curva de aprendizaje
En resumen


Diseños basados en SOC presentan
muchas ventajas respecto los sistemas
basados en µC.
Sin embargo existen casos de
dispositivos muy sencillos, o que
requieren muy bajo consumo, donde los
diseños basados en µc siguen siendo
utilizados.
Embedded Single Board
Computers (SBC)
(1/2)
Single-board computers (SBCs) son
computadoras completas fabricadas
en una única placa de circuito. El
diseño es centrado en un
microprocesador con RAM,
almacenamiento, E/S y otras
características necesarias para ser
una computadora funcional en una
sola placa.
Embedded Single Board
Computers (SBC)
(2/2)



Actualmente existe una gran gama de SBC
basadas en SOC.
Un SOC por si solo no puede funcionar,
necesita de alimentación, acondicionamientos
de señales, conectores, y algún controlador
adicional.
Más pequeñas, más eficientes
energéticamente y con mayores posibilidades
de E/S que un sistema tradicional.
Ventajas de desarrollar
basado en SBC




Son utilizadas muchas veces para prototipar
soluciones.
Para producción de pocas unidades no es
rentable diseñar hardware. Diseñar en base a
SBCs resulta una opción a tener en cuenta.
Existen diferentes SBC según las necesidades
del sistema embebido a realizar.
Orientadas a multimedia, robótica, aplicaciones
móviles.
Tendencias en S.O. para
embebidos
Extraido de:
http://www.linuxfordevices.com/c/a/Linux-For-Devices-Articles/Snapshot-of-the-embedded-Linux-market-April-2007/
Acertijo
Funciona con Linux, pero para que sirve?
Respuesta:
Para ordeñar vacas
Linux Embebido en nuestras vidas
GNU/Linux para S.E.



GNU/Linux: Sistema operativo libre
compuesto por el kernel (Linux) y
herramientas del sistema GNU.
El Kernel es el componente del S.O. que
nos abstrae del hardware y nos facilita
su uso.
Actualmente es el sistema operativo de
uso general más utilizado en sistemas
embebidos.
El Kernel Linux


Originalmente no fue pensando como un
sistema operativo embebido.
Escrito originalmente para la arquitectura
IA-32, portado por primera vez a
procesadores Motorola.
 El proceso fue costoso, lo que implicó un
rediseño de la arquitectura para hacerlo
fácilmente portable.
 Este cambio abrió la puerta para ser
portado a otras arquitecturas.
El Kernel Linux

Soporta numerosas arquitecturas
(3.8.3): alpha, arm, arm64, avr32,
blackfin, c6x, cris, frv, h8300, hexagon,
ia64, m32r, m68k, microblaze, mips,
mn10300, openrisc, parisc, powerpc,
s390, score, sh, sparc, tile, um,
unicore32, x86, xtensa
El kernel de Linux para
sistemas embebidos



No existe un kernel de Linux especial
para sistemas embebidos y otro para
estaciones de trabajo.
Es el mismo código fuente que se
compila para servidores, estaciones de
trabajo o sistemas embebidos.
Al momento de compilar la imagen del
kernel, se incluye soporte únicamente
para el hardware a utilizar.
Distribuciones embebidas

Meego: http://meego.com/
●
●
●

(1/2)
Apunta a celulares, reproductores de
multimedia,
netbooks, Tvs, IVI.
Soportado por Intel y Nokia (más o
menos).
Android: http://www.android.com/
●
●
Distribución de Google para teléfonos y
tablet PCs.
Salvo el Kernel, un userspace muy
diferente de otras distribuciones. Muy
exitosa, muchas aplicaciones disponibles
(varias propietarias).
Distribuciones embebidas

Ångström:
http://www.angstromdistribution.org/
●
●

(2/2)
Apunta a PDAs y MIDs (Siemens Simpad...)
Binarios para arm little endian.
Ubuntu ARM
Requerimientos mínimos

Un CPU soportado por gcc y el Kernel
Linux.



CPU de 32 bits
4 MB RAM
CPU's sin MMU son también soportados
mediante el proyecto uClinux.
Memory Management Unit




Dispositivo de hardware.
En los sistemas operativos modernos
cada proceso dispone de un espacio de
direcciones lógicas o virtuales.
En momento de ejecución la dirección
virtual es transformada en una dirección
física por la Memory Management Unit
(MMU).
Permite implementar protección de
memoria, memoria virtual.
Ventajas en el uso de
GNU/Linux en S.E




Reutilización de bibliotecas de software
existente.
 Nos permite centrarnos en dar valor
agregado a una solución y no en “reinventar
la rueda”.
 Calidad.
Uso de lenguajes de programación de mayor
nivel de abstracción (Java, Python, Lua).
Posibilidad de prototipar y debugear en un PC
muchos de los componentes del sistema.
Brinda portabilidad de mi sistema a otras
arquitecturas (independencia tecnológica).
Ventajas en el uso de
GNU/Linux en S.E








Extensiones para manejo de tiempo real.
Mantenibilidad
Puedo auditar el código fuente.
Libertad de modificar el código fuente.
Menor costo en licencias.
Acceso más sencillo al software y a las
herramientas.
Permite hacer frente a los requerimientos cada
vez más complejos impuestos por el mercado.
Herramientas de desarrollo independientes de
la plataforma
Desventajas de GNU/Linux
en S.E

Algunos drivers propietarios solo existen para
versiones viejas del kernel y el fabricante no
publica sus fuentes.

Algunos Sistemas Embebidos basados en
GNU/Linux toman un fork del kernel vainilla y
nunca integran sus cambios.

Muchas veces no tengo opción de que
distribución usar.
 Puede ocurrir que ni siquiera exista una
distribución (usar Buildroot, OpenEmbedded).
Linux y el tiempo real (RT)




RTOS: S.O con la habilidad de brindar el nivel
requerido de servicio en un período de tiempo
acotado (POSIX 1003.1b)
Con el tiempo Linux fue incorporando parches
RT, como los timers de alta resolución.
Es raro tener restricciones de tiempo blandas
que un Kernel Vanilla no pueda proveer
(Latencia de peor caso ∼ 1ms).
Si se necesita menor latencia usar parches
para el Kernel:
 PREEMPT_RT Ofrece una latencia máxima
de 100µs
Estado actual de los S.E


Cada vez se dispone de hardware con
mayores prestaciones, que incluso
permite ejecutar un S.O de propósito
general con RT y seguir siendo
económicamente viable.
El mercado le exige más requerimientos
a los dispositivos embebidos.
Estado actual de los S.E.




Hoy en día los S.E. tienen más puntos en
común con los sistemas de propósito general
que en el pasado.
Herramientas de desarrollo de mayor nivel de
abstracción.
Reutilización de software y periféricos
utilizados en sistemas de propósito general
Es necesario contar con equipos
interdisciplinarios.
Componentes de Software

Cross-toolchain: Compilador que corre en la
máquina de desarrollo, pero genera código para el
sistema embebido.

Bootloader: Iniciado por el hardware. Responsable
de la inicialización básica, cargar y ejecutar el
kernel.

Kernel Linux: Contiene el manejo de los procesos,
memoria, red, drivers y provee servicios para las
aplicaciones de usuario.

Biblioteca de C: Interfaz entre el Kernel y las
aplicaciones (glibc, µClibc).

Bibliotecas y aplicaciones: reutilizadas o
desarrolladas por nosotros.
Toolchain

Las herramientas usuales de desarrollo disponibles
en una estación de trabajo GNU/Linux es un
toolchain nativo

Este toolchain ejecuta en la estación de trabajo y
genera codigo para esta estación de trabajo,
generalmente x86
Toolchain

En sistemas embebidos, es usualmente imposible o
poco interesante utilizar un toolchain nativo.
●
El target es muy restrictivo en términos de
almacenamiento o memoria.
●
El target es muy lento comparado con la
estación de trabajo.
●
Puede no ser deseado de instalar todas las
herramientas de desarrollo en el target.

Por lo tanto cross-compiling toolchains son
generalmente utilizados. Ejecutan en el
workstation pero generan código para el target.
Toolchain
Código Fuente
toolchain nativo
Equipo de
compilación
Cross-compiling
toolchain
x86
Binario x86
Binario ARM
x86
ARM
Equipo a
ejecutar
El kernel de Linux en el
sistema
User app B
Library A
User app A
Espacio de
usuario
C library
Notificación de
eventos,
presentación de
información
Invocación a
servicios
Linux Kernel
Gestión del
hardware
Notificación de
eventos
Hardware
Bibliografía






Inyección de defectos y su aplicación en
dispositivos USB,
http://www.sase.com.ar/2011/files/2010/11/
SASE2011-Inyeccion_defectos_y_su_aplicacio
n_en_USB.pdf
http://www.linuxfordevices.com/
http://free-electrons.com/
http://kernel.org
Building Embedded Linux Systems
Embedded Linux System Design and
Development (Auerbach, 2006)
Preguntas